DFG Schwerpunktprogramm (SPP) 1926 “Next Generation Optogenetics – Tools and Application”

Die Optogenetik ist ein junges Arbeitsgebiet, das sich seit 2005 rasant entwickelt hat. Lichtempfindliche Proteine wurden dabei zuerst in erregbaren Zellen – heterolog – exprimiert (‚Genetik‘) und erlaubten so deren Aktivierung oder Inhibition mithilfe von Licht (‚Opto‘). Dabei wurden zunächst mikrobielle Rhodopsine aus Grünalgen oder Halobakterien verwendet, z. B. Kanalrhodopsin oder Halorhodopsin, welche lichtinduzierte Ionenströme erzeugen. Dies ist in kultivierten Zellen, aber auch in intakten Tieren möglich, sofern die Zellen mit Licht erreicht werden können. Ein paralleler Ansatz zur Erlangung von Lichtkontrolle über neuronale und zelluläre Mechanismen war die Verwendung von lichtschaltbaren Molekülen, die sich kovalent mit spezifisch modifizierten Ionenkanälen verbinden ließen.

Aufgrund der so möglich gewordenen neuen experimentellen Ansätze, vor allem in der Neurowissenschaft, expandierte das Arbeitsgebiet schnell, und vielfältige Anwendungen bis hin zur Erzeugung künstlicher Erinnerungen wurden realisiert. Aber auch Möglichkeiten neuer Therapieformen, z. B. für Retinitis pigmentosa oder Epilepsien, scheinen durch die Optogenetik denkbar. Die Erfolge der mikrobiellen Rhodopsine als optogenetische Werkzeuge erzeugten ein Interesse an weiteren Möglichkeiten, Zellen durch Licht zu regulieren. So wurden auch andere lichtaktivierte Proteine aus der Natur entlehnt oder durch Proteindesign erzeugt und als Werkzeuge für optogenetische Anwendungen etabliert. Dadurch werden immer neue Bereiche auch der allgemeinen Zellbiologie und Molekularbiologie durch Licht regulierbar gemacht. Die Veröffentlichungen in diesem Bereich nehmen, vor allem bei der Anwendung, exponentiell zu. Auch das Arbeitsgebiet zur Erzeugung neuer optogenetischer Werkzeuge ist im Wachstum begriffen, wenn auch langsamer, was aber nicht überrascht, da die Entwicklung neuer Methoden zeitaufwändig ist.

Abb. 1:

Anzahl der Publikationen zum Thema Optogenetik-Anwendungen, bzw. zum Thema Entwicklung optogenetischer Werkzeuge, in den letzten Jahren.

Hier setzt das SPP1926 thematisch an: Generierung, Charakterisierung und Etablierung optogenetischer Werkzeuge neuer Art, die mit hoher Effizienz und Lichtempfindlichkeit zur Anwendung in vivo gelangen. Neue lichtempfindliche Moleküle und Proteine, entweder aus natürlichen Quellen, über Proteindesign oder durch Kopplung verschiedener Proteinkomponenten, aber auch durch chemische Synthese erzeugt, dienen als präzise Instrumente zur spezifischen Steuerung von Prozessen in Zellen und deren Organellen. In Hinsicht auf eine mögliche Verwendung und technische Realisierbarkeit in der Humantherapie werden auch neue Methoden und Hardware (z. B. zur Lichtapplikation im Gewebe) untersucht. Dabei sollen die erzeugten Werkzeuge am tatsächlichen Bedarf orientiert, und nicht als reiner Selbstzweck generiert werden – eine Motivation zur Arbeit in interdisziplinären Projektgruppen. So lassen sich optogenetische Werkzeuge am ehesten in Zusammenarbeit von Forschern mehrerer Fachrichtungen etablieren, z. B. durch das Vereinen von Expertise in Photobiologie (zur Identifikation potenziell brauchbarer Proteine), organischer Synthesechemie (zur Erzeugung von ‚Lichtschaltern‘ für proteinspezifische chemisch-biologische Anwendungen), oder auch Strukturbiologie (zum Design artifizieller optogenetischer ‚tools‘), mit Biophysik (zu deren Charakterisierung), bzw. mit Expertise in Modellorganismen (zur Implementation in vivo).

Das SPP 1926 hat sich im Sommer 2016 konstituiert, und ein erstes Treffen fand Ende September in Bad Vilbel statt. In dem SPP 1926 wurden 13 Projekte aus ganz Deutschland zur Förderung bewilligt. Diese sind überwiegend kollaborativer Art, unter Beteiligung von bis zu vier Projektpartnern, sodass eine Gesamtanzahl von 28 Arbeitsgruppen resultiert (inkl. einer assoziierten Gruppe aus Österreich). Das SPP 1926 fühlt sich verpflichtet, Expertise über optogenetische Werkzeuge dem wissenschaftlichen Nachwuchs zu vermitteln. Hierzu werden Methoden-Workshops durchgeführt und Laboraufenthalte gefördert, mit dem Ziel einer interdisziplinären Ausbildung des Nachwuchses auf hohem Niveau. Vermittlung von Information über Optogenetik und zur Arbeit der im SPP 1926 organisierten Gruppen erfolgt z. B. im Internet (www.spp1926.de) sowie durch Öffentlichkeitsarbeit seitens des Steuerungsgremiums, in dem sowohl etablierte als auch Nachwuchswissenschaftler vertreten sind (Sprecher: Alexander Gottschalk; a.gottschalk@em.uni-frankfurt.de).